超短波电台信道模型的仿真研究*

许从方，丛 键

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

由于无线通信使用的灵活性，人们不断地在探索无线通信中的新技术，而所有新技术的发现都离不开对无线信道的深入研究。超短波电台可传输话音、数据、图像等信息，具有建立迅速、机动灵活等特点，在现代军事通信中占有重要地位。超短波无线信道的特性直接关系到为实现优质可靠地超短波电台通信必须采用的技术措施。研究超短波电台的信道特点和仿真模型，可以用来评估超短波电台设计中的技术参数和算法性能。

1 无线信道的特性

无线信道是随时间、环境和其他外部因素而变化的。首先无线电波在发送端和接收端之间进行传输过程中会产生损耗，并且会受到地形、建筑物的遮挡发生阴影衰落;而且信号经多点反射从多条路径到达接收端时会产生电平快衰落和时延扩展。其次超短波电台在快速移动时引起多普勒频移，会使得电波传输特性发生快速的随机起伏。下面对无线信道的特性进行详细的描述和仿真建模。

1.1 路径损耗

无线电波在自由空间传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小。路径损耗表示信号衰减，单位为dB的正值，定义为有效发射功率和接收功率之间的差值。

仿真设计中路径损耗采用 Egli模型［1］，Egli模型是一种简化的传播模型，适用于平坦开阔地。

Egli模型的路径损耗计算公式为:式中，d为传输距离，单位km;f为载波频率，单位MHz;ht为发射天线高度，单位m;hr为接收天线高度，单位m。

1.2 阴影衰落

当电磁波在空间传播受到起伏地形、建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，被称作阴影衰落。

阴影衰落统计特性服从对数正态分布［1］。仿真设计中，首先产生正态分布的随机数，然后通过变换产生对数正态分布的随机数，于是就可以得到阴影衰落的大小。由于环境为平坦开阔地，标准偏差取5 dB。

1.3 多径衰落

无线通信中，来自发射机的信号在传播过程中由于受到各种障碍物和其他移动物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号的合并。如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。

如果各条路径信号的幅度和到达接收天线的方位角是随机的并且统计独立，则接收信号的包络服从瑞利(Rayleigh)分布［2］;如果发射机和接收机之间存在视距传播，则接收信号的包络服从莱斯(Rice)分布［2］。

多径衰落采用抽头延迟线模型，原理图如图1所示。

图1 抽头延迟线模型原理Fig.1 Structure of tapped delay line model

图1中信道的每个抽头看成一条路径，各条路径的增益构成了信道的冲激响应。信道模型是要解决信道增益hi和延迟τi等参数的设计问题，多普勒频谱应该在参数设计中体现出来。

Rayleigh衰落信道仿真基于Clarke信道模型［3］，Clarke模型用于描述平坦小尺度衰落信道。对于Rayleigh衰落信道的仿真，目标是设计抽头增益，即满足Rayleigh统计特性的复高斯广义平稳随机过程Z(t)=Zc(t)+jZs(t)，并且使Zc(t)和Zs(t)的功率谱满足多普勒经典功率谱［4］:

仿真中采用了 Jakes仿真器的改进方案［3，5］，原理图如图2所示。

图2 Jakes仿真器原理框Fig.2 Structure of Jakes’fading simulator

式中，θ、φn和 ψn分别服从［－π，π］均匀分布，M=8，Ts为采样周期。

包络|Z(t)|服从Rayleigh分布。

相位ΘZ(t)=ang{Z(t)}服从［－π，π］均匀分布。

Zc(t)和Zs(t)的均值和相关统计特性为:

式中，J0(·)是第一类零阶Bessel函数。

对于Rice衰落信道的仿真，可以由Rayleigh衰落转化而来。采用下面的方法设计满足Rice统计特性的抽头增益:

式中，Zc(t)和Zs(t)分别是高斯广义平稳随机过程。

k称为Rice因子，通常定义 k=β2/(2σ2)，表示直达平均功率 β2/2和弥散平均功率(σ2)的比值［6－7］。当 k=0 时，信道呈现 Rayleigh 衰落;当 k→∞时，信道没有衰落，表现为静止信道。

包络|Y(t)|服从Rice分布，相位ΘY(t)=ang{Y(t)}不是均匀分布，而是服从比较复杂的分布。

Rice衰落的多普勒功率谱是一个经典多普勒谱和一条直射路径的和［6］，即:

1.4 多普勒频移

当电台在高速移动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，移动引起的接收机信号频移称为多普勒频移［8］。多普勒频移fd定义为:

式中，v为电台移动速度，fc为载波频率，θ为移动方向与无线电波入射方向之间的夹角。最大多普勒频移为fmax=vfc/c。

若电台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正(即接收频率上升);若电台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负(即接收频率下降)。

在模型中，多普勒频移实现方法为:

式中，Ts为采样周期。

1.5 多普勒扩展

当发射机在无线信道上发送一个频率为fc的单频正弦波时，由于多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率为fc－fd～fc+fd的频谱分量，其中fd为多普勒频移。这一频谱称为多普勒功率谱。

上述无线信道的特性中，路径损耗与阴影衰落称为大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加而缓慢起伏变化，所以也称慢衰落。多径衰落是小尺度衰落，它反映了无线信号在较短的距离或时间之内的快速变化，又称快衰落。

2 信道模型仿真设计

在信道模型仿真中，信道特性往往是在基带上获得的，基带上的信道特性实际上是射频的信道特性对基带信号的影响。文中信道模型所要实现的就是将基带信号的信道特征仿真出来。

信道模型主要针对宽带信号仿真了路径损耗、阴影衰落、多普勒频移、多径衰落和多普勒扩展，其中路径损耗和阴影衰落模块可选择。

在实现多抽头模型时，既要考虑概率密度的要求，还有多普勒频谱的特定要求。仿真产生多路互相独立的衰落，以便较真实地模拟实际通信环境。平坦开阔地存在视距传播，所以第一条径为直达径。

信道模型仿真框图如图3所示。

图3 信道模型仿真框Fig.3 Structure of channel simulator

从基带输入的I、Q两路信号或是成形信号首先经过路径损耗和阴影衰落，接着模拟移动带来的多普勒频移，采用多抽头的多径衰落模型来仿真平坦衰落信道。

信道模型仿真参数采用COST207标准中的农村地区模型的参数［1］，如表1所示。

表1 COST207标准农村地区信道参数Table 1 COST207 standard rural channel parameter

3 仿真及结果分析

无线信道的时变性和最大多普勒频移有关，即由移动速度和频率决定。图4和图5分别是频率600 MHz、移动速度80 km/h和频率800 MHz、移动速度120 km/h的Rayleigh衰落的包络对比。

图4 频率600 MHz的Rayleigh衰落包络Fig.4 Rayleigh fading envelope of 600 MHz

图5 频率800 MHz的Rayleigh衰落包络Fig.5 Rayleigh fading envelope of 800 MHz

由于频率800 MHz、移动速度120 km/h时，最大多普勒频移为88.9 Hz，而频率600 MHz、移动速度80 km/h时最大多普勒频移为44.4 Hz，因此图5中衰落变化比图4中要快。从图5中也可以看出在非常短的时间内，即短距离内，信号包络起伏很大，属于快衰落。

图6和图7分别是仿真的抽头增益的同相分量和正交分量的功率谱密度。

图6 同相分量的功率谱密度Fig.6 Power spectrum density for isotropic

图7 正交分量的功率谱密度Fig.7 Power spectrum density for nonisotropic

由图6和图7可以看出，抽头增益同相分量和正交分量的频谱都符合Jakes模型的“U”型功率谱，表明该模型的多径衰落的仿真结果和Jakes原理模型［1］基本一致。

4 结语

对超短波信道传输特性进行了重点分析，并且建立了信道仿真模型。从理论和仿真结果来看，本文研究的信道模型逼近信道真实环境，不仅在时域统计上满足信道特性的要求，在频域上也体现了信道对信号功率谱的影响，可以应用于超短波电台的仿真设计。本文仅针对平坦开阔地的地形建立了信道模型，在选择场景参数时也仅选取了典型的农村地区的特征参数，对于其它环境尚未做出详细分析。但是通过对本文所提的信道模型做进一步分析，可以在此基础上论证和完善其它环境的信道模型。

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